TWI631331B - 用於在離子流體中偵測的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電化學式延伸閘極電晶體(electrochemical extended-gate transistor；EET)系統，該系統包括：場效電晶體(field effect transistor；FET)，其具有閘極、源極以及汲極；恆電位儀，其具有工作電極、對電極以及參考電極；其中，該工作電極與偵測區耦接，且該對電極與該閘極耦接；其中，該偵測區、該閘極以及該參考電極置於離子流體中；其中，該恆電位儀經配置，以電化學方法在該離子流體中產生氧化還原反應，進而偵測該標的。一種用以偵測標的的方法係使用於此系統。

Description

用於在離子流體中偵測的系統及方法
本發明涉及場效電晶體式(field effect transistor-based；FET-based)生物感測器，尤其是涉及利用電化學方法改善在高離子流體中之偵測極限及靈敏度的場效電晶體式生物感測器。
在診斷中，確定血液或血清樣本中所含有的物質(例如蛋白質或某些特定標的)是重要的。例如，如圖1(A)所示，在一般的場效電晶體式生物感測器100中，為了偵測特定生物標記(biomarker)154，閘極150上會被修飾抗體或某些識別元件152。當生物標記154被識別元件152捕獲時，生物標記154的電荷將積累於閘極表面上，以在閘極150上形成電位，進而在提供電壓源110的情況下，透過偵測流經源極140與汲極130之間的基板120的電流(也就是IDS)，可確定生物標記的濃度。
不過，如果測試樣本具有高離子強度，則由生物標記的電荷導致的電位將被樣本中的離子中和。如此，一旦閘極表面與所捕獲的生物標記之間的距離(r)超過特定長度 (如圖1(B))，也就是德拜長度(Debye length)(λ)，樣本中的離子會遮罩所捕獲生物標記的電位。被遮罩的電位可能降低流過源極140與汲極130之間的基板120的電流，進而使系統不能夠提供用來偵測生物標記之濃度所需的偵測極限及靈敏度。
因此，傳統的場效電晶體生物感測器不能夠提供用來偵測高離子流體中之目標生物標記所需的偵測極限及靈敏度(離子強度為~150mM；如表1)。圖2進一步顯示在100mM磷酸緩衝溶液(phosphate buffer solution；PBS)(離子強度為~400mM；如表1)與0.1mM PBS(離子強度為~0.4mM；如表1)中傳統延伸式閘極場效電晶體(extended-gate field effect transistor；EGFET)的偵測結果之比較。因此，由於德拜長度的降低，高離子流體中的偵測極限較低離子流體中的偵測極限差。請參照表1，在100mM PBS中，德拜長度可進一步降低至~0.48nm，該德拜長度小於血紅蛋白的直徑(~5nm，Biol Proced Online 2009,11：32-51)。因此，血紅蛋白所載電荷不足以在延伸式閘極場效電晶體的閘極上產生電位而引發相對應之IDS以進行偵測。
文獻中已公佈了用於此類偵測的各種方法。例如，關於如圖1(B)所示之高離子流體中的樣本，部分方法是透過稀釋該測試樣本，以達到低離子強度狀態來延長德拜長度。不過，以此方式，測量條件將大幅地被限制且無法用於實際應用中，例如對低濃度之目標生物標記作進一步稀釋而導致的限制。在另一種方法中，為移除測試樣本中的離子，測試樣本必須通過多個複雜的前處理過程，這些過程將消耗更多的時間和成本。電化學(electrochemical；EC)系統可透過偵測電化學訊號來作為解決德拜長度問題的解決方案。不過，當標的濃度低時，傳統電化學系統的靈敏 度不足。
因此，業界需要克服這些傳統技術上的問題。
本發明提供電化學延伸式閘極場效電晶體式系統，也稱為電化學式延伸閘極電晶體(electrochemical extended-gate transistor；EET)系統，其能夠避免德拜長度的問題並可直接用以偵測高離子流體中之標的(例如，生物標記)。此外，本發明應用電化學方法於電化學式延伸閘極電晶體系統中，進而可透過偵測在離子流體中因氧化還原反應而產生的電化學訊號以確定標的之濃度。
根據本發明所提供之用以偵測標的的電化學式延伸閘極電晶體系統，該電化學式延伸閘極電晶體系統包括：場效電晶體(field effect transistor；FET)，其具有閘極、源極以及汲極；恆電位儀，其具有工作電極、對電極以及參考電極；其中，該工作電極與偵測區耦接，且該對電極與該閘極耦接；其中，該偵測區、該閘極以及該參考電極置於離子流體中；其中，該恆電位儀經配置，以電化學方法在該離子流體中產生氧化還原反應，進而偵測該標的。
在一實施例中，該場效電晶體包括與其耦接的讀取單元，用以量化訊號。
在一實施例中，該場效電晶體可為n-MOS、p-MOS場效電晶體或具有類似功能的任意元件。
在一實施例中，形成該工作電極、對電極以及參考電極的物質包括至少一種從以下群組所選的物質：金、銀、 鉑、鈀、碳、銦錫氧化物(indium tin oxide；ITO)玻璃、任意導電油墨、或其任意組合。
在一實施例中，該離子流體可為氣態或液態。
在一實施例中，該離子流體可為電解液，例如PBS、血液、血清、尿液、唾液、汗液，或離子強度與生理環境近似的任意溶液。
在一實施例中，該標的包括至少一種從以下群組所選的物質：小分子、蛋白質、酶、抗原、抗體、核酸、DNA、RNA、miRNA、適合體(aptamer)、醣脂、配位基、外泌體(exosome)或任意可用於感測應用的生物標記。
在一實施例中，以對該標的具有親和力或專一性之識別元件修飾該偵測區。
在一實施例中，該識別元件可為對該標的具有親和力或專一性的任意分子。
在一實施例中，該標的可涉及電化學(electrochemical；EC)活動。
而且，本發明還提供一種用以偵測標的之方法，包括：提供具有閘極、源極及汲極的場效電晶體；提供具有工作電極、對電極及參考電極的恆電位儀，其中，該工作電極與偵測區耦接，其中，該對電極與該閘極耦接，其中，該偵測區、該閘極以及該參考電極置於離子流體中；以及執行由該恆電位儀所驅動的電化學方法，以在該離子流體中產生氧化還原反應，進而偵測該標的。
在本發明中，該電化學方法包括：伏安法、安培法、 電導法、阻抗法，或任意傳統電化學方法。
100‧‧‧一般的場效電晶體式生物感測器
110‧‧‧電壓源
120‧‧‧基板
130‧‧‧汲極
140‧‧‧源極
150‧‧‧閘極
152‧‧‧識別元件
154‧‧‧生物標記
300‧‧‧電化學式延伸閘極電晶體系統
302‧‧‧離子流體
310‧‧‧場效電晶體
312‧‧‧閘極
314‧‧‧汲極
316‧‧‧源極
320‧‧‧偵測區
324‧‧‧標的
330‧‧‧恆電位儀
332‧‧‧工作電極
334‧‧‧對電極
336‧‧‧參考電極
340‧‧‧讀取單元
400‧‧‧電化學式延伸閘極電晶體系統
402‧‧‧離子流體
404‧‧‧能量傳遞介質
410‧‧‧場效電晶體
412‧‧‧閘極
414‧‧‧汲極
416‧‧‧源極
420‧‧‧偵測區
422‧‧‧識別元件
424‧‧‧標的
430‧‧‧恆電位儀
432‧‧‧工作電極
434‧‧‧對電極
436‧‧‧參考電極
440‧‧‧讀取單元
圖1(A)及1(B)繪示傳統的場效電晶體式生物感測器，以及離子強度與德拜長度之間的關係；圖2為使用傳統延伸式閘極場效電晶體系統於100mM PBS及0.1mM PBS中偵測血紅蛋白的結果；圖3為根據本發明一實施例之電化學式延伸閘極電晶體系統的示意圖，其中，箭頭為範例方向，以說明氧化還原反應的方向；圖4為根據本發明一實施例之電化學式延伸閘極電晶體系統的示意圖，其中，向該電化學式延伸閘極電晶體系統引入識別元件及能量傳遞介質(mediator)；圖5(A)為根據本發明一實施例，由傳統延伸式閘極場效電晶體系統偵測血紅蛋白之偵測時間與標準化電流比的關係圖；圖5(B)為根據本發明一實施例，由傳統延伸式閘極場效電晶體系統偵測血紅蛋白之血紅蛋白濃度與標準化電流比的關係圖；圖5(C)為根據本發明一實施例，由電化學式延伸閘極電晶體系統偵測血紅蛋白之偵測時間與標準化電流比的關係圖；圖5(D)為根據本發明一實施例，由電化學式延伸閘極電晶體系統偵測血紅蛋白之血紅蛋白濃度與標準化電流比的關係圖； 圖6(A)為根據本發明一實施例，由傳統電化學系統偵測H2O2之偵測時間與標準化電流比的關係圖；圖6(B)為根據本發明一實施例，由傳統電化學系統偵測H2O2之H2O2濃度與標準化電流比的關係圖；圖6(C)為根據本發明一實施例，由電化學式延伸閘極電晶體系統偵測H2O2之偵測時間與標準化電流比的關係圖；圖6(D)為根據本發明一實施例，由電化學式延伸閘極電晶體系統偵測H2O2之H2O2濃度與標準化電流比的關係圖；圖7為本發明之電化學式延伸閘極電晶體系統與傳統延伸式閘極場效電晶體及電化學系統之產業價值的比較圖。
以下的具體實施例用以說明本發明之揭露內容，在閱讀本說明書之揭露內容以後，本技術領域中具有通常知識者能輕易地理解其優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、尺寸等，僅為配合說明書所揭示之內容，以便本技術領域中具有通常知識者得以理解及閱讀，而非意圖將本發明限制於特定條件之中，故不具有技術上之實質意義。任何結構之修改、比例關係之改變，或尺寸之的調整，在不影響本說明書所能產生之功效及所能達成之目的下，均應包含在本說明書所揭露之範圍內。在無實質變更技術內容的情況 下，其相對關係之改變或調整，亦當被視為本發明可實施之範疇內。
圖3為根據本發明一實施例之電化學式延伸閘極電晶體系統的示意圖。系統300包括：場效電晶體(FET)310，其具有閘極312、源極316以及汲極314；恆電位儀330，其具有工作電極332、對電極334以及參考電極336；其中，該工作電極332與偵測區320耦接，且該對電極334與該閘極312耦接；其中，該偵測區320、該閘極312以及該參考電極336被設置於離子流體302中；其中，恆電位儀330被用以在離子流體302中產生氧化還原反應，進而以電化學方法偵測標的324。
圖3說明了根據本發明一實施例之電化學式延伸閘極電晶體系統的偵測機制。為偵測標的，電化學式延伸閘極電晶體系統300可包括電化學(EC)方法，且工作電極332與對電極334之間的電壓差將驅動離子流體302中的標的324進行氧化還原。在此方法中，場效電晶體310的閘極電壓將因此被對電極334的電壓所控制，以引發汲極-源極間的電流(IDS)，該電流可被讀取單元340所偵測。因此，標的324的濃度得以讀取單元340所偵測的IDS來表示。此外，某些標的324或許具有特定的電化學特性，當恆電位儀330執行適當的電化學方法時，標的324可產生相應的法拉第電流並在施加特定電位時呈現一對氧化還原峰值。更可取地，可利用對標的324具有專一性的識別元件(圖3未顯示)對電化學式延伸閘極電晶體系統300的偵測區 320進行修飾。當更多的識別元件與標的324結合時，標的324的特徵訊號(如在氧化還原電位的峰電流)也將被測量。此外，該訊號可進一步由場效電晶體310放大，進而透過與場效電晶體310耦接的讀取單元340來計算並獲得標的324的濃度。
圖4顯示根據本發明另一實施例的電化學式延伸閘極電晶體系統400。以下，在該整個實施例中，以相似的號碼表示類似的元件，並省略其重複的描述。在此實施例中，係利用對標的424具有專一性的識別元件422對電化學式延伸閘極電晶體系統400的偵測區420進行修飾，且標的424不具有電化學活性。由於標的424不能夠產生足夠的氧化還原電流以進行標的之偵測，因此，在此實施例中，於離子流體402中添加額外能量傳遞介質404，以促進氧化還原反應所產生的電流。能量傳遞介質404可為本技術領域中通常使用的任何一種能量傳遞介質，例如但不限於鐵氰化鉀、二茂鐵，以及四硫富瓦烯(tetrathiafulvalene；TTF)。當實施電化學方法時，可驅使所添加的能量傳遞介質404產生氧化還原電流。以此方式，當更多的識別元件422與標的424結合時，偵測區420的阻抗將會改變，同時，由能量傳遞介質404產生的氧化還原電流亦會隨之改變。以此方式，標的424的濃度可透過讀取單元440計算得知。
依據本發明的一實施例，提供一種利用電化學式延伸閘極電晶體系統300偵測標的324的方法並於圖3說明。 該方法包括：提供具有閘極312、源極316及汲極314的場效電晶體(FET)310；提供具有工作電極332、對電極334及參考電極336的恆電位儀330；其中，該工作電極332與偵測區320耦接，其中，該對電極334與該閘極312耦接，其中，該偵測區320、該閘極312以及該參考電極336被設置於離子流體302中；以及執行由恆電位儀330所驅動的電化學方法，得以在離子流體302中產生氧化還原反應，進而偵測標的324。
本發明透過實施例之示例來說明細節。不過，本發明之詮釋不應當被限制於以下實施例之闡述。
實施例1：
以下實驗之實施可說明電化學式延伸閘極電晶體系統即使在生理離子強度環境中也能提供優越的感測性能(例如偵測極限及反應的訊號大小)。在此實施例中，標的為血紅蛋白。恆電位儀為CHI6192E(美國德州奧斯汀CHI公司)，但亦可使用其它傳統的恆電位儀或類似儀器，而其工作電極、對電極以及參考電極分別與碳電極、碳電極以及Ag/AgCl電極電性耦接。在該實施例中，可對該些電極施加任意適當的前處理，例如利用氧電漿、乙醇或去離子水清洗。另外，本技術領域中具有通常知識者應當理解，在本技術領域中，PBS係通常用以模擬生理環境。本實施例之離子流體為100mM PBS，其係利用100mM Na2HPO4及100mM NaH2PO4配製，且pH值為7.4。
之後，使用電化學式延伸閘極電晶體系統測量從 0.01μg/ml至100μg/ml的血紅蛋白溶液濃度。在此測量過程中，採用安培法，並將工作電極與參考電極之間的電壓差設為-0.4V，以驅動相對應的氧化還原反應。
作為對照組，係使用傳統的延伸式閘極場效電晶體系統偵測血紅蛋白。延伸式閘極場效電晶體系統的配置及偵測條件與上述電化學式延伸閘極電晶體系統的配置及偵測條件相同。在延伸式閘極場效電晶體系統中也使用源極測量單元，但源極測量單元僅用以提供相對於參考電極的電位及測量訊號。
由傳統延伸式閘極場效電晶體系統及本發明的電化學式延伸閘極電晶體系統偵測的測量結果顯示於圖5。在圖5(A)及5(C)，x軸是指測量時間，而在圖5(B)及5(D)，x軸是指血紅蛋白的濃度。y軸是指電流比，△IDS(汲極-源極電流的變化)/I0(在沒有血紅蛋白的PBS中所偵測的電流)。y軸所示的電流比(△IDS/I0)用以說明經標準化的偵測結果，以使本技術領域中具有通常知識者容易理解本發明所帶來的優點及功效。
圖5(A)及5(B)清楚地顯示出，當血紅蛋白的濃度等於或低於1μg/ml時，使用延伸式閘極場效電晶體系統測量，無法觀察到訊號。另外，傳統延伸式閘極場效電晶體系統在100μg/ml血紅蛋白中的偵測訊號(參照電流比)僅比沒有血紅蛋白的偵測訊號高2%至3%。
反之，根據圖5(C)及5(D)，該圖說明了電流比與血紅蛋白濃度之間的關聯性。此外，電化學式延伸閘極電晶體 系統的偵測極限比延伸式閘極場效電晶體系統的偵測極限大至少30倍，而且偵測範圍係自100μg/ml的血紅蛋白延伸至~0.3μg/ml的血紅蛋白。再者，當血紅蛋白的濃度增加10倍時，所偵測的訊號比(△IDS/I0)係以線性關係增加~3%。
實施例2：
以下實驗之實施可說明與傳統電化學系統相比，電化學式延伸閘極電晶體系統提供優越的感測性能。在此實施例中，感測標的為H2O2。在該實施例中使用市售的電極試片(DEP-ER-P，日本BioDevice公司)，其中，該電極試片的工作電極、對電極以及參考電極分別由金、碳以及Ag/AgCl製成。恆電位儀為CHI6192E(美國德州奧斯汀CHI公司)。此實施例中的離子流體為PBS(100mM Na2HPO4及100mM NaH2PO4；pH 7.4)。在測量前，使用乙醇及去離子水清洗該電極試片，並使用氮氣乾燥之。
之後，使用電化學式延伸閘極電晶體系統測量從濃度1nM至100μM的H2O2溶液。在此測量過程中，採用安培法，並將工作電極與參考電極之間的電壓差設為0.25V，以驅動相對應的氧化還原反應。電化學系統的偵測環境與前述電化學式延伸閘極電晶體系統的偵測環境相似。
由傳統電化學系統及本發明的電化學式延伸閘極電晶體系統所偵測的測量結果顯示於圖6。在圖6(A)及6(B)，△ICW表示對電極與工作電極間的電流變化。結果顯示，當H2O2的濃度等於或低於1μM時，所偵測的訊號係不可 識別的。更具體而言，偵測極限為10μM。
反之，根據圖6(C)及6(D)，該圖結果說明了電流比與H2O2濃度之間的關聯性。此外，電化學式延伸閘極電晶體系統的偵測極限比電化學系統的偵測極限至少改善100倍，且偵測範圍被擴大為100μM至0.1μM H2O2。
以上的說明及實施例清楚地指出本發明之電化學式延伸閘極電晶體系統所能帶來的優點及功效。更具體地說，本發明之電化學式延伸閘極電晶體系統可透過該系統內的場效電晶體之配置，進一步放大其所偵測到的訊號。如表2中所示，本發明顯示，本發明之電化學式延伸閘極電晶體系統不僅可改善在高離子流體中延伸式閘極場效電晶體的德拜長度限制，亦可增加電化學量測在較低濃度的情況下的靈敏度。另外，透過使用能量傳遞介質，無論標的是否具有電化學活性，本發明的電化學式延伸閘極電晶體系統都可測量該標的的濃度，進而在偵測方面提供更多的彈性。綜上所述，本發明成功地提供電化學式延伸閘極電晶體偵測系統，該系統在高離子流體中提供了優越的靈敏度並且表現出色。如圖7所示，相較於延伸式閘極場效電晶體系統及電化學系統，本發明在感測應用方面具有更高的價值。
本發明係透過實施例之示例來說明，以顯示本發明的原理及功效，而非意圖限制本發明。本技術領域中具有通常知識者可對本發明作多種變更及修改而不背離本發明之精神及範圍。因此，本發明的權利保護範圍－申請專利範圍列於本文中。所以，本發明的範圍應由所附之申請專利範圍定義。

Claims (18)

  1. 一種用以偵測標的的系統，包括：場效電晶體(FET)，其具有閘極、源極以及汲極，其中，該場效電晶體為延伸式閘極場效電晶體；恆電位儀，其具有工作電極、對電極以及參考電極；其中，該工作電極與偵測區耦接且不直接與該閘極耦接且藉由離子流體與延伸式閘極耦接，且該對電極與該延伸式閘極耦接；其中，該偵測區、該延伸式閘極以及該參考電極置於該離子流體中；其中，該恆電位儀經配置，以電化學方法在該離子流體中產生氧化還原反應，進而偵測標的；其中，該場效電晶體之閘極電壓係由該對電極之電壓所控制，且該對電極之該電壓係根據該標的之濃度而變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該場效電晶體包括與其耦接的讀取單元，以量化量測訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該標的涉及電化學活動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該標的包括至少一種從以下群組所選的物質：小分子、蛋白質、核酸、及醣脂、以及其任意組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該離子流體係為液態。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中，該液態的離子流體為電解液。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該離子流體包括能量傳遞介質。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，以對該標的具有親和力或專一性的識別元件修飾該偵測區。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中，該電化學方法為至少一種從以下群組所選的方法，該群組由伏安法、安培法、電導法、阻抗法、以及其任意組合所組成。
  10. 一種用以偵測標的的方法，包括：提供具有閘極、源極及汲極的場效電晶體(FET)，其中，該場效電晶體為延伸式閘極場效電晶體；提供具有工作電極、對電極及參考電極的恆電位儀，其中，該工作電極與偵測區耦接且不直接與該閘極耦接且藉由離子流體與延伸式閘極耦接，其中，該對電極與該延伸式閘極耦接，其中，該偵測區、該延伸式閘極以及該參考電極置於該離子流體中；以及執行由該恆電位儀所驅動的電化學方法，在該離子流體中產生氧化還原反應，進而偵測該標的；其中，該場效電晶體之閘極電壓係由該對電極之電壓所控制，且該對電極之該電壓係根據該標的之濃度而變化。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，進一步包括透過與該場效電晶體耦接的讀取單元，量化由該標的因氧化還原反應而產生的訊號。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該標的涉及電化學活動。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該標的包括至少一種由以下群組所選的物質：小分子、蛋白質、核酸、及醣脂、以及其任意組合。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該離子流體係為液態。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中，該液態的離子流體為電解液。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該離子流體還包括能量傳遞介質。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，以對該標的具有親和力或專一性的識別元件修飾該偵測區。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該電化學方法為至少一種從以下群組所選的方法，該群組由伏安法、安培法、電導法、阻抗法、以及其任意組合所組成。
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